Popis kmitání
Cvičení 1
Ke břehu moře dospěje za minutu sedm vln. S jakou periodou a frekvencí kmitá na hladině pobřežní bójka?
Cvičení 2
S jakou periodou, frekvencí a úhlovou frekvencí se pohybuje hodinová ručička na ciferníku hodin?
Cvičení 3
Na obrázku je znázorněna časová závislost výchylky kmitajícího tělesa. Určete periodu, frekvenci, úhlovou frekvenci, amplitudu a počáteční fázi tohoto kmitání.
Zdroj
Cvičení 4
Do grafu v předchozím příkladu nakreslete třemi různými barvami, jak by vypadalo kmitání tělesa
- s vyšší frekvencí,
- s větší amplitudou,
- s jinou počáteční fází.
Cvičení 5
Nakreslete graf libovolného kmitání, které je periodické, ale není harmonické.
Cvičení 6
Napište rovnici kmitání \(x(t)\) znázorněného grafem. Číselné hodnoty musí být uvedeny v základních jednotkách SI.
Zdroj
Cvičení 7
Nakreslete graf závislosti \(v_y(t)\) pro kmitání znázorněné v obrázku 21.38 (cvičení 3) a graf \(v_x(t)\) pro kmitání znázorněné v obrázku 21.39 (cvičení 6).
Cvičení 8
Nakreslete graf závislosti výchylky na čase daný předpisem
\[ y(t) = 0{,}15\sin\left(2{,}5\pi t+\frac{\pi}3\right)\;. \]Číselné hodnoty jsou uvedeny v jednotkách SI.
Pružinový oscilátor
Cvičení 1
Vypočítejte periodu, frekvenci a úhlovou frekvenci kmitání tělesa o hmotnosti 200 g zavěšeného na pružině o tuhosti 20 N/m.
Cvičení 2
Ze vztahu pro periodu pružinového oscilátoru dokažte, že jeho úhlová frekvence je \(\omega=\sqrt{k/m}. \)
Cvičení 3
Těleso o hmotnosti \(m\) kmitá vodorovně bez tření na pružině o tuhosti \(k\) s amplitudou \(x_\mathrm{m}\).
Pomocí veličin \(m\), \(k\) a \(x_\mathrm{m}\) obecně vyjádřete
- potenciální energii v bodě obratu,
- celkovou mechanickou energii oscilátoru,
- kinetickou energii při průchodu rovnovážnou polohou,
- rychlost \(v_{x\mathrm{m}}\) průchodu rovnovážnou polohou.
- Jak souvisí \(v_{x\mathrm{m}}\) s úhlovou frekvencí kmitání?
Cvičení 4
Zdroj
Adrenalinový zážitek v podobě skoku do propasti začíná z plošiny vysoko nad řekou (počáteční bod O). Pružné lano má klidovou délku 20 metrů, což znamená, že se začíná napínat až v bodě A nacházejícím se 20 metrů pod bodem O. Pohyb skokana pokračuje a zastaví se až v bodě B o dalších 15 metrů níže. Zanedbáme odpor vzduchu a budeme počítat s \(g=10\ \mathrm{m/s}^2\). Jelikož neznáme hloubku propasti, budeme určovat výšky vzhledem k plošině, takže potenciální energie tíhová v bodě O je \(E_{\mathrm{pg}O}=0\ \mathrm{J}\). Hmotnost skokana je 70 kg.
- Nakreslete schéma situace.
- Jaká je mechanická energie skokana v bodě O?
- Do tabulky doplňte číselné hodnoty energií.
- Jaká je rychlost skokana v bodě A?
- O kolik vzroste tahová síla lana při jeho prodloužení o jeden metr?
| Poloha skokana | Kinetická energie | Potenciální energie tíhová | Potenciální energie pružnosti | Mechanická energie |
|---|---|---|---|---|
| Bod A | ||||
| Bod B |
Cvičení 5
Na stojan zavěsíme pružinu a na její dolní konec zavěsíme těleso. Soustavu rozkmitáme. Co můžeme říci o tíhové síle působící na těleso a o tahové síle pružiny
- při průchodu rovnovážnou polohou,
- v horním bodě obratu,
- v dolním bodě obratu?
Cvičení 6
Pružina má klidovou délku 30 cm a tuhost 20 N/m. Zavěsíme na ni závaží o hmotnosti 200 g.
- a) Vypočítejte délku pružiny, když se bude závaží nacházet v rovnovážné poloze.
Závaží vychýlíme z rovnovážné polohy o 5 cm směrem dolů a v čase t = 0 s je uvolníme.
- b) Určete frekvenci a periodu kmitů.
- c) Napište rovnici výchylky v závislosti na čase a nakreslete odpovídající graf.
- d) Určete mechanickou energii oscilátoru. Potenciální energie tíhová je nulová v rovnovážné poloze.
- e) Vypočítejte, jakou rychlostí projde závaží rovnovážnou polohou.
- \(39{,}8\ \mathrm{cm}\);
- \(1{,}59\ \mathrm{Hz}\); \(0{,}63\ \mathrm{s}\);
- \(y(t)=-0{,}05\cos(10t)\);
- \(0{,}121\ \mathrm{J}\);
- \(0{,}5\ \mathrm{m/s}\)
Cvičení 7
Zavěsíme-li na pružinu těleso o hmotnosti 2,0 kg, pružina se prodlouží o 0,060 m. Vypočtěte, s jakou frekvencí bude na této pružině kmitat těleso o hmotnosti 4,0 kg.
Cvičení 8
Vážení ve vesmíru. Astronauti na ISS se nacházejí ve stavu beztíže, což vede k úbytku jejich svalové hmoty a řídnutí kostí. Proto je nezbytné pravidelné měření hmotnosti. Pro inspiraci si pusťte následující video https://www.youtube.com/watch?v=oU3pp_4n84U.
Pomocí videoanalýzy nebo (rychleji, ale méně přesně) pomocí stopek na mobilu zjistěte periodu \(T_1\) kmitání stroje samotného a periodu \(T_2\) kmitání stroje s astronautem. Za předpokladu, že se jedná o pružinový oscilátor, jehož pohyblivé rameno bez astronauta má hmotnost \(m_1=5{,}9\ \mathrm{kg}\), vypočítejte
- tuhost pružiny,
- hmotnost astronauta.
Cvičení 9
Jestliže na pružinu, která se nachází ve svislém pouzdře, položíme kuličku o hmotnosti \(m=100\ \mathrm{g}\), pružina se stlačí o úsek délky \(y_1=2{,}0\ \mathrm{mm}\). Do jaké výšky nad nezatíženou pružinu vyletí kulička, když pružinu s kuličkou stlačíme o 5,0 cm a pak ji uvolníme? Zanedbáme hmotnost pružiny, tření a odpor vzduchu.
Kyvadlo
Ve cvičeních dosazujte hodnotu \(g=9{,}80\ \mathrm{m/s}^2\).
Cvičení 1
Jakou délku závěsu musí mít kyvadlo, aby se pohybovalo s periodou 1,00 s?
Cvičení 2
Malé závaží o hmotnosti 50 g zavěšené na provázku o délce 70 cm vychýlíme z rovnovážné polohy o úhel 25°. Jakou má v této poloze tíhovou potenciální energii? Výška a potenciální energie jsou nulové v rovnovážné poloze.
Cvičení 3
Slovně popište, jak se mění různé formy energie při pohybu ABCD (viz obrázek 21.41). Popište, jak se mění rychlost. Zakreslete vektory rychlosti v bodech A, B, C, D.
Zdroj
Cvičení 4
Malou kuličku o hmotnosti 100 g zavěsíme na provázek o délce 60 cm, vychýlíme ji z rovnovážné polohy o úhel 10° a bez počáteční rychlosti ji uvolníme. Vypočítejte
- frekvenci a periodu kmitů,
- rychlost, s jakou bude kulička procházet rovnovážnou polohou,
- tahovou sílu provázku v okamžiku, kdy kulička prochází rovnovážnou polohou. Kulička v rovnovážné poloze nesetrvává, ale pohybuje se křivočaře, proto se síly nemohou vyrušit.
- 0,64 Hz; 1,55 s;
- 0,42 m/s;
- 1,01 N
Cvičení 5
Je v některém z bodů A, B, C, D na obrázku 21.41 ve cvičení 3 zrychlení kuličky nulové? Odpověď pečlivě zdůvodněte. Zakreslete vektor zrychlení v těchto bodech.
Cvičení 6
Zkrátíme-li délku závěsu matematického kyvadla o 20 cm, zkrátí se perioda jeho kmitů na 0,90 s. Vypočtěte původní periodu kmitů.
Cvičení 7
Zkrátíme-li délku závěsu matematického kyvadla o 30 cm, zkrátí se perioda jeho kmitů o 0,5 s. Vypočtěte původní periodu kmitů.
Cvičení 8
Zdroj
Úvodní strana románu Foucaultovo kyvadlo, jehož autorem je Umberto Eco, v překladu Zdeňka Frýborta, vydal Český klub NJŠ v roce 1999. Objevíte v tomto úryvku fyzikálně neobhajitelná tvrzení?
Perioda kmitání je úměrná druhé odmocnině délky kyvadla. Čas potřebný k překonání vzdálenosti mezi oběma póly není výsledkem tajemného spiknutí nejméně pozemských měr, ale právě naopak – závisí na tíhovém zrychlení v daném místě na povrchu Země. Dále by se s úspěchem dalo polemizovat o počtu dimenzí prostoru, v němž se rovina kývání otáčí (žijeme ve 3D), a o potrojnosti čísla \(\pi\) s neukončeným desetinným rozvojem. Na vzorec pro periodu kyvadla si skutečně může přijít každý sám, pokud si zkusí praktikum v této kapitole. 🙂

